王華偉 劉國梁 王德帥

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長春∥第一作者， 正高級工程師)

高速動車組高壓系統(tǒng)包括受電弓、主斷路器、電壓/電流互感器、高壓隔離開關(guān)、牽引變壓器等設(shè)備。這些高壓設(shè)備承擔(dān)著從25 kV交流接觸網(wǎng)獲取和傳輸電能到動車組牽引傳動系統(tǒng)的作用。由于高速動車組供電電壓高，運行電流負(fù)載大，一旦高壓系統(tǒng)故障，輕則導(dǎo)致部分設(shè)備損壞，重則對接觸網(wǎng)及地面供電設(shè)備造成破壞，因此，對高速動車組高壓設(shè)備管理及保護(hù)的設(shè)計顯得尤為重要。某型號高速動車組配置了高壓控制單元作為列車高壓系統(tǒng)的控制和保護(hù)設(shè)備，主要用于實現(xiàn)高壓系統(tǒng)設(shè)備的管理、運行信息的采集、運行狀態(tài)的監(jiān)視及故障診斷，從而保證了列車高壓系統(tǒng)安全可靠的運行。

1 高速動車組高壓控制單元硬件設(shè)計方案

高速動車組高壓控制單元主要由 CPU(中央處理器) 處理板卡、IOM(輸入輸出裝置)管理板卡、MVB(多功能車輛總線)通信板卡、數(shù)字量輸入輸出板卡、模擬量輸入輸出板卡、RDR(實時數(shù)據(jù)記錄卡)、電源板卡、冷卻風(fēng)扇及機(jī)箱等組成；該控制單元主要實現(xiàn)高壓系統(tǒng)數(shù)字量輸入輸出監(jiān)視與控制，以及網(wǎng)側(cè)電流(網(wǎng)流)和網(wǎng)側(cè)電壓(網(wǎng)壓)、變壓器差分電流及變壓器油流出入口溫度等模擬量的采集功能。

1.1 高壓控制單元功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高壓控制單元在通用CPCI(緊湊型外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))總線的技術(shù)上加入本控制單元特有的信號，實現(xiàn)了擴(kuò)展性的CPCI總線技術(shù)；除了CPCI總線外，高壓控制單元在背板上還包含數(shù)字和模擬的 IO(輸入輸出)信號；高壓控制單元包含MVB、以太網(wǎng)接口等。高壓控制單元硬件功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 高壓控制單元硬件組成

高壓控制單元為7U機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，由動車組蓄電池DC 110 V供電。高壓控制單元硬件布局如圖2所示。

中央處理單元作為高壓控制單元的中央處理器，主要負(fù)責(zé)該控制單元所有軟、硬件資源的調(diào)度和通信。中央控制單元通過CPCI總線和私有總線與所有其他板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

輸入輸出管理模塊在系統(tǒng)中用于中央處理單元和輸入輸出板卡之間的接口，它通過數(shù)據(jù)總線和地址總線連接到中央處理單元。

MVB通信卡模塊是依據(jù)GB/T 28029—2020《軌道交通電子設(shè)備列車通信網(wǎng)絡(luò)》設(shè)計的子模塊。

注：ETH為以太網(wǎng)。圖1 高壓控制單元功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Topology block diagram of the high voltage control unit functions

注:ITS為溫度采集模塊;DI為數(shù)字量輸入;DO為數(shù)字量輸出。圖2 高壓控制單元硬件布局圖Fig.2 Hardware layout of the high voltage control unit

作為高壓控制單元的MVB節(jié)點，屬于MVB網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點。該MVB板卡上配置了CCU(中央控制單元)需要的MVB源端口和宿端口，用于CCU與MVB網(wǎng)絡(luò)上其他各設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

DI/DO板卡用于將標(biāo)稱電平DC 110 V的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為處理器可識別的二進(jìn)制信號。DI信號用于電氣隔離，其經(jīng)屏蔽或非屏蔽的數(shù)字量輸入線進(jìn)入控制單元。DO板卡模塊用于≤110 V(DC)標(biāo)稱電平的數(shù)字量信號輸出。兩塊DI/DO板卡的前端連接器防差錯不同，以防車輛側(cè)插頭誤插。

IOA(模擬量輸入輸出模塊)用于處理不同模擬量和數(shù)字量信號。其可以采集接觸網(wǎng)網(wǎng)壓和網(wǎng)流，以及變壓器輸入、輸出電流等高壓系統(tǒng)模擬量信號。

ITS設(shè)置了PT100溫度傳感器采集電路，用于采集牽引變壓器的溫度信號。

RDR的主要功能為對接觸網(wǎng)網(wǎng)壓和網(wǎng)流、變壓器入口電流、接地電流等信號進(jìn)行實時數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)高壓控制單元觸發(fā)快速保護(hù)后，RDR保存觸發(fā)快速響應(yīng)保護(hù)前1 s和后2 s所有通道的實時值，用于進(jìn)行故障分析。

電源板卡集成了DC 110 V/5 V、±15 V、24 V等3路電源為高壓控制單元供電。電源供電由前端連接器輸入，并對電源供電線路進(jìn)行了冗余設(shè)計。

高壓控制單元在機(jī)箱底部配置了冷卻風(fēng)扇，為整個機(jī)箱冷卻。

2 高壓控制單元信號采集及限值保護(hù)

2.1 高壓控制單元有效值采集原理

高壓控制單元采集并處理的有效值包括接觸網(wǎng)網(wǎng)壓和網(wǎng)流、變壓器入口電流、變壓器接地電流等。上述信號的采集和處理通過高壓控制單元的IOA板卡實現(xiàn)。IOA板卡的采集量程范圍為±10 V。IOA對采集的網(wǎng)壓模擬量信號進(jìn)行信號調(diào)理，將輸入的正弦波信號變換為系統(tǒng)可識別的數(shù)字量信號，以便用于系統(tǒng)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。通過IOM板卡將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號經(jīng)背板總線發(fā)送至CPU板卡，由CPU板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及邏輯運算，具體流程如圖3所示。

圖3 高壓控制單元有效值處理流程Fig.3 Effective value processing flow of the high voltage control unit

比例運算電路主要是取反、求絕對值等運算操作，將正弦波信號轉(zhuǎn)換成正弦正半波信號或負(fù)半波信號，而后通過積分電路將其轉(zhuǎn)換成直流均值信號。根據(jù)CPU控制軟件的設(shè)定，由IOM板卡上的多路選擇器依次選通每路通道，作為ADC(模擬1數(shù)字轉(zhuǎn)換器)的采集輸入，在經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送至CPU板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

高壓控制單元的網(wǎng)壓有效值采集通過硬件算法實現(xiàn)。其采用有效值運算放大器的反向比例積分原理，如圖4所示。

注：R1、R2、R3為電阻；C為電容；Uin為正弦波交流輸入的絕對值取反信號；Uout為經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換的輸出信號。圖4 有效值運算放大器的基本原理Fig.4 Basic principle of the effective value operational amplifier

其中，輸入與輸出信號的基本函數(shù)關(guān)系為：

(1)

式中：

t——時間；

R——輸入電阻。

通過比例積分運放原理可知，該電路中的比例增益K為：

K=R3/R1

(2)

時間常數(shù)τ為：

τ=R1C

(3)

式(2)—式(3)中，變量K和τ均為過渡反應(yīng)時間過程的常數(shù)。在該電路中，當(dāng)恒定電流I流過，電容的電壓達(dá)到電容端電壓最大值的1-1/e,即0.63倍時所需要的時間；而在電路斷開時,τ為電容端電壓最大值的1/e，即約0.37倍時所需要的時間。

高壓控制單元有效值的通路選擇由CPU控制軟件設(shè)定，選取要讀取的通道數(shù)據(jù)，所采集的網(wǎng)壓交流信號的直流分量，通過平滑處理后乘以比例系數(shù)修正為有效值數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送至列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.2 高壓控制單元硬件快速保護(hù)

高壓控制單元具有對高壓設(shè)備的保護(hù)功能，包括對接觸網(wǎng)網(wǎng)壓和網(wǎng)流，以及對變壓器入口電流瞬時值的快速保護(hù)功能。

高壓控制單元硬保護(hù)的設(shè)計邏輯具體為：CPU根據(jù)控制需求將保護(hù)限值寫入IOM 板卡，IOA板卡直接采集車輛側(cè)網(wǎng)壓和網(wǎng)流、變壓器電流對應(yīng)的電壓信號，且電壓最大范圍支持-10～10 V；輸入信號經(jīng)放大電路處理后，發(fā)送至IOM硬件比較器電路，并將比較結(jié)果采用二進(jìn)制方式輸出，此狀態(tài)和實際的模擬量值實時發(fā)送給CPU；一旦檢測到電壓瞬時值超限，根據(jù)邏輯約定將立即輸出DO板卡通道斷開信號，以封鎖當(dāng)前狀態(tài)；設(shè)定時間后若CPU檢測故障恢復(fù)則發(fā)送解鎖指令，此時BOCD(二進(jìn)制輸出轉(zhuǎn)換驅(qū)動板卡)串聯(lián)在主斷路器的對應(yīng)通道閉合，如圖5所示。

圖5 高壓控制單元硬件快速保護(hù)邏輯關(guān)系圖Fig.5 Hardware fast protection logic diagram of the high voltage control unit

IOA板卡通過動車組電壓互感器或電流互感器次邊電路采集相應(yīng)信號，其輸入信號經(jīng)放大電路處理后，由IOM 接收并與設(shè)定限值比較，一旦超過設(shè)定限值，硬件比較器電路將輸出高電平信號，并將此狀態(tài)實時發(fā)送給CPU。CPU經(jīng)內(nèi)部邏輯判斷且滿足超限條件后，將控制指令發(fā)送給IOM，由IOM斷開BOCD板卡串在VCB(真空斷路器)回路的長閉觸點，從而斷開動車組主斷路器，以防動車組高壓設(shè)備受到損壞。

3 高壓控制單元模擬量采集實測響應(yīng)

在實驗室通過信號發(fā)生器給定高壓控制單元相應(yīng)的輸入，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀抓取數(shù)據(jù)，測試模擬量的響應(yīng)時間。

3.1 高壓控制單元有效值響應(yīng)測試

調(diào)整信號發(fā)生器，給定高壓控制單元同步的交流輸入信號，其峰值由4 V驟升至20 V。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀抓取數(shù)據(jù)來分析動態(tài)變化特性，如圖6所示。

由圖6可知，高壓控制單元交流信號有效值響應(yīng)時間大約為1.3 s。此響應(yīng)時間可作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對于網(wǎng)壓、網(wǎng)流及變壓器電流有效值限值保護(hù)的重要參數(shù)之一。當(dāng)考慮實現(xiàn)限值保護(hù)時，需考慮交流信號有效值的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間以進(jìn)行相應(yīng)的延時。

圖6 高壓控制單元交流信號有效值響應(yīng)Fig.6 AC signal RMS response of the high voltage control unit

3.2 高壓控制單元硬件快速保護(hù)響應(yīng)測試

選取變壓器入口電流和接觸網(wǎng)電流瞬時值硬件快速保護(hù)接口進(jìn)行測試。

變壓器入口電流快速保護(hù)響應(yīng)如圖7所示。由圖7可知，變壓器入口電流快速保護(hù)設(shè)定為 500 A(8.33 V)；輸入波形為正弦波，輸入超限至快速保護(hù)DO開始斷開的時間約為3 ms，DO完全斷開的時間約為13 ms。

圖7 變壓器入口電流快速保護(hù)響應(yīng)截圖Fig.7 Screenshot of fast protection response of transformer inlet current

接觸網(wǎng)電流快速保護(hù)響應(yīng)如圖8所示。由圖8可知，接觸網(wǎng)電流快速保護(hù)同樣設(shè)定為500 A(8.33 V)，輸入波形為正弦波，輸入超限至快速保護(hù)DO開始斷開的時間為2 ms，DO完全斷開的時間約為14 ms。

從上述2種快速保護(hù)的響應(yīng)可以看出，通過高壓控制單元對模擬量信號瞬時值的快速保護(hù)在20 ms以內(nèi)即可完成。某些型號的動車組設(shè)置了接觸網(wǎng)網(wǎng)流保護(hù)繼電器，當(dāng)電流大于其設(shè)定值時，通過硬線信號輸出保護(hù)。本文所介紹的動車組通過高壓控制單元實現(xiàn)了相同的保護(hù)功能，同時節(jié)省了高壓設(shè)備的安裝空間。

圖8 接觸網(wǎng)電流快速保護(hù)響應(yīng)截圖Fig.8 Screenshot of fast protection response of catenary current

4 結(jié)語

本文介紹了一種高速動車組集成式高壓系統(tǒng)管理單元的設(shè)計方案、基本原理及試驗驗證結(jié)果。該設(shè)備可實現(xiàn)對高壓系統(tǒng)部件狀態(tài)信息的統(tǒng)一采集及管理，并可對部分硬件設(shè)備進(jìn)行替代，節(jié)省了高壓系統(tǒng)部件的安裝空間及成本，提高了動車組高壓系統(tǒng)的安全性和可靠性。